1.研究背景

近几年，有害结局路径（adverse outcome pathway, AOP）受到越来越多的关注。AOP是一个概念性的框架，通过整合现有的不同生物组织水平的生态毒理信息，描述了直接分子启动事件和有害结局直接的联系，从而使得评估结果更加有效。即AOP描述了从一个分子启动事件（MIE）开始，经过对细胞、器官、组织和个体产生的一系列效应，最终在群落水平上导致一个有害结局的过程。而分子启动事件是在开始有害结局路径时，化合物和机体产生生化作用的一个主锚位。虽然毒性化合物的活性数据和其靶标信息已收集在数据库T3DB、ChEMBL和CTD中，但是仍缺少一些毒性化合物的特定信息。计算模拟方法可以弥补该信息缺失。

目前，计算模拟预测方法分为两类：基于已知抑制剂结构进行搜索和从头开始预测。其中基于已知抑制剂结构进行形状相似性搜索的方法已经得到了广泛应用。本研究就是采用分子相似性搜索的方法来确定甲苯的潜在作用靶标，从而深入了解毒性化合物甲苯的作用机理。

2.研究流程

图1 实验流程

研究基于甲苯的三维形状和静电性质筛选毒性化合物和其靶标蛋白数据库，从而确定了潜在的毒性化合物甲苯的作用靶标。研究结合计算机筛选和实验验证，确定了两个可能的靶标蛋白，为甲苯的毒性作用机理的研究提供了指导。

3.研究结果

研究使用形状相似性搜索的方法，来确定甲苯的潜在作用靶点，从而研究其可能表现出的毒性作用机理。研究使用的数据库T3DB包含了1204个毒性化合物及其作用靶标信息。因此，基于甲苯的形状和静电性质筛选该数据库，可以得到较相似的化合物（图2），从而获得甲苯的潜在作用靶点。研究过程中选择相似性值（TanimotoCombo）大于1.4的化合物进行深入研究，最后确定了124个毒性化合物甲苯的潜在作用靶标。研究继续分析了甲苯与潜在靶标之间的相互作用。通过分子对接研究，确定了2个潜在的作用靶标—血清白蛋白、血红蛋白。

当甲苯与血红蛋白相互作用时（图3-A），甲苯位于残基PHE33、PHE43、PHE46和LEU48组成的疏水活性口袋中，形成了较强的相互作用。当甲苯与血清白蛋白相互作用时（图3-B），甲苯与活性口袋残基ALA26、TYR30、LEU66、PHE70、LEU250 和 LEU251形成了较强的疏水相互作用，并且甲苯与残基PHE70的苯环基团形成了p-p堆积作用。

研究使用微尺度热泳方法来测定甲苯和靶蛋白的亲和力大小。结果发现甲苯与血红蛋白的结合常数为1.9 mM，而甲苯诱导了血清白蛋白的聚集。因此基于形状相似性搜索发现的血清白蛋白、血红蛋白可能是毒性化合物甲苯的靶标蛋白。该发现为甲苯的毒性机理研究提供了指导。

图2 形状相似性搜索结果（绿色分子为甲苯，灰色分子为形状相似的化合物）

图3 甲苯与潜在靶标蛋白的相互作用图（A.血红蛋白；B.血清白蛋白）

4.结论

研究发现了一种预测毒性化合物的潜在作用靶标的方法。基于已知的毒性化合物和其靶标蛋白数据库，进行形状相似性筛选，从而确定毒性化合物甲苯的潜在靶标。研究又结合分子对接和体外实验验证的方法来进一步分析预测结果。预测结果中发现血红蛋白和血清白蛋白可能是甲苯的潜在靶标，并且甲苯与血红蛋白的结合常数为1.9 mM，甲苯诱导了血清白蛋白聚集。该实验结果与形状相似性筛选的结果一致，因此表明基于形状相似性筛选进行化合物潜在靶标的确定是较准确的方法之一。

使用模块：

• OMEGA

• ROCS

• EON

参考文献：

1. Gearhart, J., et., al. Identifying potential protein targets for toluene using a molecular similarity search, in silico docking and in vitro validation[J]. Toxicology Research, 2015.